基于“作业面”优先策略的集装箱港口集卡路径优化研究
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（ 海 海 事 大 学 航 运 技术 －控 制工 程 交通 行 业 重 点实 验 室 。上 海 ２ １ ０ ） 上 ９ ０ ３ ６ 摘 要 ： 文 中建 立 了基 于 船 舶装 卸协 同作 业 的集 卡 车 的路 径 优化 模 型 。考 虑到 集 卡 车 “ 业 面 ” 工作 方 式在 运 作 效 作
作者简介 ：魏宏磊 （ ９ ６ ） １ ８ 一 ，男，河 北邢 台人 ，上海海事大学 航运技术与控制工程交通行业重点实验室 ，硕士研究 生， 研究方 向为港 口自动化 。 朱 瑾 （ ９ ０） １ ８ 一 ，女 ，湖 北人 ，上海海事大学讲师 。
基 金 项 目 ： 家 自然 科 学基 金 项 目 （ ０ ０ ０ ６ ； 海 市 教 委 科 研 创新 项 目 （ ０ Ｚ１ ４ ； 通 部 应 用基 础 研 究 项 目 （ ０１ — 国 ６ ９ ４ ７ ）上 １ Ｙ ）交 ｌ ２ １
第 １ ２卷 第 １ 期
２０１ 住 ２
中 国
水
运
Ｖ ．２ ｏ１ １ Ｊ ｕｒ ａｎ ｙ
Ｎｏ． １
１月
Ｏ ｎａ ｈｉ Ｗａｔ Ｔｒ ｅｒ ａｎｓ ｏｒ ｐ ｔ
２ ２ ０１
基于 “ 作业 面＂优先策略 的集装 箱 港 口集卡路径优化研究
魏 宏 磊 ，朱 瑾
目前 中 国许 多 港 口采 用 的是 混 合 堆存 方 式 ， 比如 宁 波 北 仑 港 与 香 港 的 ＨＩ 等 港 口ｌ 本 文 基 于 堆 场 混 合 堆 存 方 式 Ｔ港 ｌ ， 建 立 集 卡 车 的路 径 优 化 模 型 。假 定 集 卡车 都 是 从 岸 边 待 卸 载 的贝 位 开 始 作 业 ，模 型 中 进 行 装 卸 的集 装 箱 均 为 标 准 箱 ，且 每 个 集 卡 车 在 堆 场 去 往 或 返 回过 程 中一 次 最 多 只 能 载 运 一 个 集 装 箱 ， 即每 个 集 卡 车 在 堆 场 和 岸 边 的往 返 全 程 中最 多 完成 ２个 集 装 箱 的运 输 。 模 型 中 符 号 说 明 ： ，－分 另 表 示 集装 箱 堆 场 的 进 口箱 的 ， Ⅱ 箱 区编 号 ，出 口箱 的 箱 区编 号 ；Ｂ 为 船 舶 进 行 装 卸 作 业 时堆
约束条件 （ ）为非负约束 。 ６ 该模 型属于纯整数线性规划模 型，可采 用分支定界法实
现 对 模 型 的求 解 。
二 、算 例 分 析
场 内箱 区 中当前剩余 的进 口集装箱可容箱量 ；ｓ 为集卡车 ｉ
从 岸 边 卸 载 贝 位 行驶 到箱 区 最 短 路 径 的距 离 ； ｓ 为 集 卡 车 ｉ ｊ
把 集装箱装卸作业组织起来 。
２ 模 型 的 建 立 ．
目标函数 （ ）表示 保证完成集装箱装卸作业任务集卡车 １
行走的总里程最小。
约 束 条 件 （ ）表 示 所有 到箱 区 取 箱 返 回到 岸 边 的集 卡 ２
车 行 走 次 数 之 和 与 ＿箱 区的 待装 船 的 出 口箱 总量 相 等 ，这 是 ， 装 船 作 业 时 对集 卡车 作 业 区 域 的约 束 。 约 束 条 件 （ ）表 示 在 箱 区 的堆 存 的进 口箱 数 量 不 超 过 ３
进、出 口箱的数量相等 ，然后采 用 ＮＣ Ｌ语言建模 求解 。 目前文 献对集卡车运输路 径问题的研究 ，建立 的集卡车 的相关路径 规划模型 多集 中于对进 出 口集装箱数量相 等【 。 ９ 。 。
的情 况 进 行 研 究 。 本 文在 前 人 的 研 究 基 础 上 ，从 船 舶 装 载 、 船 舶 卸 载 进 行 同 时作 业 着 手 ，基 于 堆 场 混 合 堆 存 方 式 ，建 立 集 卡 车 在 “ 业 面 ” 工 作 方 式 优 先 的 路 径 优 化 模 型 。 此模 型 作 综 合 考 虑堆 场 内 箱 区 的进 口集 装 箱 的 容 纳 量 和 集 卡 车 的行 驶
箱 区当前 可容纳 的进 口箱 数量 ，堆场 内箱 区容 纳能力的约
束。
约束 条 件 （ ） 示 集 卡 车 由岸 边 到 箱 区完 成 进 口箱 堆 存 ４ 表 作 业 的 运 输 回路 次 数 总和 就是 待 卸 载 的 进 口箱 总 量 ，这 保 证 了能 完成 所 有待 卸载 的进 口箱 的卸 载 作 业 任 务 。 约 束 条 件 （ ） 示 集 卡 车 由每 个 出 口箱 区取 箱 到 岸 边 的 ５ 表 行 走 次 数 总 和 就 是 待 装 载 的 出 口箱 总量 ，这 保 证 了 能 把 所 有 待 装 船 的 出 口箱 全 部 装 船 。
从 箱 区 到箱 区 的 最 短 路 径 的距 离 ；ｓ为 集 卡 车 从 堆场 ＿ ｊ ， 返
具 体 算 例 ：某 泊 位 靠 泊 的集 装 箱 船 需 要装 卸 的进 口集 装 箱数为 Ｃ＝ ０ Ｉ ８ ０和 出 口集 装 箱 数 为 ＣＯ＝ ５ ； 头现 有 ９个 ３０ 码
回到岸边装载贝位 的最短 路径 的距离 ；ｑ； 为集卡车运输过程
可行箱 区【．实例 中具体数据来源于 参考 文献【 。 】 ，从文献【 。 】 中
可 以得 到集 卡 车 在 一 个 作 业 回路 的下 选 择 最 优 行 走路 径 时 的
行走距离
（其中 ‘ 不 同时为零） ，岛ｊ（不为零 ）和 。 ／
（不为零 ）。
通过 ＬＮ Ｉ ＧＯ 软 件 得 到 的模 型 运 算 结 果 如 表 １所 示 ： 其 对 应 的 目标 函 数 值 １２ ０９ ０，即 参 与 完 成装 卸作 业 ，４ ， ６ 过 程 的所 有 集 卡 车 的 行 走 总 里 程 是 １２ ０ ９ ０ 且该 模 型 能 ，４ ， ６ 。 得 到 比文 献 ＿中更 优 的 结 果 。 ２ 】
集 卡车 运输 到 箱 区 ３ ，然 后 按 装 卸 桥 装 船 顺序 单 到 箱 区 １提 取 一 出 口箱 返 回 到船 舶 Ａ，集 卡 车 的行 走 距 离 为 ａ ｂ ｃ ＋ ＋ ；若 集 卡 车 在 “ 业 线 ” 方 式 下 完 成 相 同 工作 任 务 其 行 驶 距 离 为 作
、
集 卡 车 路 径优 化模 型 的建 立
１ 问题 表 述 ．
集 装 箱 港 口 中的 集 装 箱 作 业流 是 由 到 达 的 船 舶 引起 的 ， 由于 大 部 分 集 装 箱 运 输 采 用 的 是班 轮运 输 方 式 ，所 以船 舶 到 达 港 口 的时 间一 般 都 是 固 定 的 ，这 些 船 舶 的 进 口箱 量 和 出 口
水平搬运设备 完成 ，如果 集卡车的运输能够快速有效 组织起
来 ，会 极 大 的促 进 岸 边 吊车 的 装 卸 效 率 发 挥 ，如 果 集 卡 车 运
输不畅 ，则会影响正常的船舶作业进度 。
究了时间最短的集卡线路 优化模 型 ，并利用进化规划算法进 行 求 解 。文 献 ［研 究 了 装 卸 桥 等 待 集 卡 的时 间最 小 的 集 卡 调 ８ １ 度策略 ，并用 Ｑ 学 习算法进行了求解。文献ｌ以集卡将码头 ９
收 稿 日期 ：２ １ — ０ １ Ｏ １１ — ５
图 １ “ 业 面 ”模 式下 集 卡 车 的 路径 图 示 作
图 ｌ中 的船 舶 Ａ 是 在 码 头 等 待 装 卸 的 集 装 箱 船 ，假 定 集
卡 车在船舶 Ａ和堆场 内箱 区 ３ 、箱 区 １之 间构成 “ 作业面” 方式 ， “ 业面” 方式下集卡车从船舶 Ａ卸载一个集装箱 由 作
率 上的优 势 ，采 用集卡 车 “ 业面” 工作 方式优先 的调 度策 略 ，应用分支 定界法得 到了进 口集装箱 的最优分 配方案 作
及集 卡 车 的最 优 路 径 。通 过 算例 对模 型与 算法 进 行 验 证 ，分 析 结 果表 明与 传 统 的 “ 业线 ” 工作 方 式相 比 ，该 模 型 作 可 以使 集 卡 车 的行 驶 距 离 减 少近 ３ ％。 １ 关键 词 ：集 卡 调度 ；路 径 优 化 ；进 口集 装 箱 ；作 业 面 中图 分 类 号 ： Ｆ５ ５０
３ — ０— ０） ２９ ８１ ２０
第 １ 期
魏 宏磊 等 ：基 于 “ 业 面 ” 优 先 策 略 的 集 装 箱 港 口集 卡 路径 优化 研 究 作
７ １
２ ＋ ｃ 由三 角 形 的 性质 可 知 “ 业 面 ” 方 式 可 以显 著 减少 ａ２。 作 集 卡 车 的行 驶 距 离 。对 集 卡 车 采 用这 种 调 度 方 式 可 以有 效 地
场 内指定作 业区域的箱区的集合 ，并且 Ｂ，， Ｂ；Ｃ 为船 ＿Ｅ Ｉ 舶卸载 贝位 的待卸载集装 箱量 ，即：该贝位 的进 口集装箱总 量 ；ｃＤ 为船舶装载 贝位的待装载集装箱量 ，即 ：该贝位 出
口集 装 箱 总 量 ；０ 为 场 内箱 区 中待 装 载 的集 装 箱 量 ； ｉ 堆 ｉ Ｉ 为
引 言
文 献标 识 码 ：Ａ
文 章 编 号 ： １０ － ９ ３ （０ ２ １０ ７ － ３ ０ ６ ７ ７ ２ １ ）０ — ０ ０ ０
距离 ，从而确定进 口集装箱堆存 的最佳箱 区以及相应箱 区的
作 业箱 量 。
一
在 “ 业 面 ” 工 作 模 式 下 ，集 卡 车 能 同 时对 应 多条 作 业 作 线 ，保 证 集 卡 车 处于 空 载 状 态 后 可 立 即投 入 到 其 他 需 要 的 作 业 线 中 ，从 而 大 大 缩 短 集 卡 车 的 空 载 运 行 时 间和 距离 ， 大 幅 度提高集卡车的利用率【 。 ｌ ｌ 针 对 集 卡 车 传 统 的 “ 业 线 ” 工 作 模 式 ，集 卡 车 空 驶 较 作 大 ，利 用 率 较 低 这 一 问 题 。文 献 Ｉ 究 了码 头 的 物 流 路径 的 ２ 】 研 优 化 问题 ， 以集 卡 行 走 里 程 最 短 为 目标 ，建 立 了集 卡 路径 优
中 ，集 卡 车 在 “ 业 面 ” 工作 模 式 下 一 次 作 业 回路 的 行 驶 距 作 离 （ 均 不 为 零 ）；ｄ 集 卡 车 运 输 过 程 中 ， 卡 车 在 “ ‘ ｏ 为 集 作 业 线 ”工 作 模 式 下 ，从 岸边 空驶 到箱 区 取 一 个 出 口箱 返 回 到 岸 边 的行 驶 距 离 （ 不为 零 ） ；ｄ。 ＿ ， ｉ为集 卡 车 运输 过 程 中 ， 集 卡 车 在 “ 业 线 ” 工 作 模 式 下 ，从 岸 边 取 一 个 进 口箱 堆放 作
作者简介 ：魏宏磊 （ ９ ６ ） １ ８ 一 ，男，河 北邢 台人 ，上海海事大学 航运技术与控制工程交通行业重点实验室 ，硕士研究 生， 研究方 向为港 口自动化 。 朱 瑾 （ ９ ０） １ ８ 一 ，女 ，湖 北人 ，上海海事大学讲师 。
基 金 项 目 ： 家 自然 科 学基 金 项 目 （ ０ ０ ０ ６ ； 海 市 教 委 科 研 创新 项 目 （ ０ Ｚ１ ４ ； 通 部 应 用基 础 研 究 项 目 （ ０１ — 国 ６ ９ ４ ７ ）上 １ Ｙ ）交 ｌ ２ １
第 １ ２卷 第 １ 期
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Ｖ ．２ ｏ１ １ Ｊ ｕｒ ａｎ ｙ
Ｎｏ． １
１月
Ｏ ｎａ ｈｉ Ｗａｔ Ｔｒ ｅｒ ａｎｓ ｏｒ ｐ ｔ
２ ２ ０１
基于 “ 作业 面＂优先策略 的集装 箱 港 口集卡路径优化研究
魏 宏 磊 ，朱 瑾
目前 中 国许 多 港 口采 用 的是 混 合 堆存 方 式 ， 比如 宁 波 北 仑 港 与 香 港 的 ＨＩ 等 港 口ｌ 本 文 基 于 堆 场 混 合 堆 存 方 式 Ｔ港 ｌ ， 建 立 集 卡 车 的路 径 优 化 模 型 。假 定 集 卡车 都 是 从 岸 边 待 卸 载 的贝 位 开 始 作 业 ，模 型 中 进 行 装 卸 的集 装 箱 均 为 标 准 箱 ，且 每 个 集 卡 车 在 堆 场 去 往 或 返 回过 程 中一 次 最 多 只 能 载 运 一 个 集 装 箱 ， 即每 个 集 卡 车 在 堆 场 和 岸 边 的往 返 全 程 中最 多 完成 ２个 集 装 箱 的运 输 。 模 型 中 符 号 说 明 ： ，－分 另 表 示 集装 箱 堆 场 的 进 口箱 的 ， Ⅱ 箱 区编 号 ，出 口箱 的 箱 区编 号 ；Ｂ 为 船 舶 进 行 装 卸 作 业 时堆
约束条件 （ ）为非负约束 。 ６ 该模 型属于纯整数线性规划模 型，可采 用分支定界法实
现 对 模 型 的求 解 。
二 、算 例 分 析
场 内箱 区 中当前剩余 的进 口集装箱可容箱量 ；ｓ 为集卡车 ｉ
从 岸 边 卸 载 贝 位 行驶 到箱 区 最 短 路 径 的距 离 ； ｓ 为 集 卡 车 ｉ ｊ
把 集装箱装卸作业组织起来 。
２ 模 型 的 建 立 ．
目标函数 （ ）表示 保证完成集装箱装卸作业任务集卡车 １
行走的总里程最小。
约 束 条 件 （ ）表 示 所有 到箱 区 取 箱 返 回到 岸 边 的集 卡 ２
车 行 走 次 数 之 和 与 ＿箱 区的 待装 船 的 出 口箱 总量 相 等 ，这 是 ， 装 船 作 业 时 对集 卡车 作 业 区 域 的约 束 。 约 束 条 件 （ ）表 示 在 箱 区 的堆 存 的进 口箱 数 量 不 超 过 ３
进、出 口箱的数量相等 ，然后采 用 ＮＣ Ｌ语言建模 求解 。 目前文 献对集卡车运输路 径问题的研究 ，建立 的集卡车 的相关路径 规划模型 多集 中于对进 出 口集装箱数量相 等【 。 ９ 。 。
的情 况 进 行 研 究 。 本 文在 前 人 的 研 究 基 础 上 ，从 船 舶 装 载 、 船 舶 卸 载 进 行 同 时作 业 着 手 ，基 于 堆 场 混 合 堆 存 方 式 ，建 立 集 卡 车 在 “ 业 面 ” 工 作 方 式 优 先 的 路 径 优 化 模 型 。 此模 型 作 综 合 考 虑堆 场 内 箱 区 的进 口集 装 箱 的 容 纳 量 和 集 卡 车 的行 驶
箱 区当前 可容纳 的进 口箱 数量 ，堆场 内箱 区容 纳能力的约
束。
约束 条 件 （ ） 示 集 卡 车 由岸 边 到 箱 区完 成 进 口箱 堆 存 ４ 表 作 业 的 运 输 回路 次 数 总和 就是 待 卸 载 的 进 口箱 总 量 ，这 保 证 了能 完成 所 有待 卸载 的进 口箱 的卸 载 作 业 任 务 。 约 束 条 件 （ ） 示 集 卡 车 由每 个 出 口箱 区取 箱 到 岸 边 的 ５ 表 行 走 次 数 总 和 就 是 待 装 载 的 出 口箱 总量 ，这 保 证 了 能 把 所 有 待 装 船 的 出 口箱 全 部 装 船 。
从 箱 区 到箱 区 的 最 短 路 径 的距 离 ；ｓ为 集 卡 车 从 堆场 ＿ ｊ ， 返
具 体 算 例 ：某 泊 位 靠 泊 的集 装 箱 船 需 要装 卸 的进 口集 装 箱数为 Ｃ＝ ０ Ｉ ８ ０和 出 口集 装 箱 数 为 ＣＯ＝ ５ ； 头现 有 ９个 ３０ 码
回到岸边装载贝位 的最短 路径 的距离 ；ｑ； 为集卡车运输过程
可行箱 区【．实例 中具体数据来源于 参考 文献【 。 】 ，从文献【 。 】 中
可 以得 到集 卡 车 在 一 个 作 业 回路 的下 选 择 最 优 行 走路 径 时 的
行走距离
（其中 ‘ 不 同时为零） ，岛ｊ（不为零 ）和 。 ／
（不为零 ）。
通过 ＬＮ Ｉ ＧＯ 软 件 得 到 的模 型 运 算 结 果 如 表 １所 示 ： 其 对 应 的 目标 函 数 值 １２ ０９ ０，即 参 与 完 成装 卸作 业 ，４ ， ６ 过 程 的所 有 集 卡 车 的 行 走 总 里 程 是 １２ ０ ９ ０ 且该 模 型 能 ，４ ， ６ 。 得 到 比文 献 ＿中更 优 的 结 果 。 ２ 】
集 卡车 运输 到 箱 区 ３ ，然 后 按 装 卸 桥 装 船 顺序 单 到 箱 区 １提 取 一 出 口箱 返 回 到船 舶 Ａ，集 卡 车 的行 走 距 离 为 ａ ｂ ｃ ＋ ＋ ；若 集 卡 车 在 “ 业 线 ” 方 式 下 完 成 相 同 工作 任 务 其 行 驶 距 离 为 作
、
集 卡 车 路 径优 化模 型 的建 立
１ 问题 表 述 ．
集 装 箱 港 口 中的 集 装 箱 作 业流 是 由 到 达 的 船 舶 引起 的 ， 由于 大 部 分 集 装 箱 运 输 采 用 的 是班 轮运 输 方 式 ，所 以船 舶 到 达 港 口 的时 间一 般 都 是 固 定 的 ，这 些 船 舶 的 进 口箱 量 和 出 口
水平搬运设备 完成 ，如果 集卡车的运输能够快速有效 组织起
来 ，会 极 大 的促 进 岸 边 吊车 的 装 卸 效 率 发 挥 ，如 果 集 卡 车 运
输不畅 ，则会影响正常的船舶作业进度 。
究了时间最短的集卡线路 优化模 型 ，并利用进化规划算法进 行 求 解 。文 献 ［研 究 了 装 卸 桥 等 待 集 卡 的时 间最 小 的 集 卡 调 ８ １ 度策略 ，并用 Ｑ 学 习算法进行了求解。文献ｌ以集卡将码头 ９
收 稿 日期 ：２ １ — ０ １ Ｏ １１ — ５
图 １ “ 业 面 ”模 式下 集 卡 车 的 路径 图 示 作
图 ｌ中 的船 舶 Ａ 是 在 码 头 等 待 装 卸 的 集 装 箱 船 ，假 定 集
卡 车在船舶 Ａ和堆场 内箱 区 ３ 、箱 区 １之 间构成 “ 作业面” 方式 ， “ 业面” 方式下集卡车从船舶 Ａ卸载一个集装箱 由 作
率 上的优 势 ，采 用集卡 车 “ 业面” 工作 方式优先 的调 度策 略 ，应用分支 定界法得 到了进 口集装箱 的最优分 配方案 作
及集 卡 车 的最 优 路 径 。通 过 算例 对模 型与 算法 进 行 验 证 ，分 析 结 果表 明与 传 统 的 “ 业线 ” 工作 方 式相 比 ，该 模 型 作 可 以使 集 卡 车 的行 驶 距 离 减 少近 ３ ％。 １ 关键 词 ：集 卡 调度 ；路 径 优 化 ；进 口集 装 箱 ；作 业 面 中图 分 类 号 ： Ｆ５ ５０
３ — ０— ０） ２９ ８１ ２０
第 １ 期
魏 宏磊 等 ：基 于 “ 业 面 ” 优 先 策 略 的 集 装 箱 港 口集 卡 路径 优化 研 究 作
７ １
２ ＋ ｃ 由三 角 形 的 性质 可 知 “ 业 面 ” 方 式 可 以显 著 减少 ａ２。 作 集 卡 车 的行 驶 距 离 。对 集 卡 车 采 用这 种 调 度 方 式 可 以有 效 地
场 内指定作 业区域的箱区的集合 ，并且 Ｂ，， Ｂ；Ｃ 为船 ＿Ｅ Ｉ 舶卸载 贝位 的待卸载集装 箱量 ，即：该贝位 的进 口集装箱总 量 ；ｃＤ 为船舶装载 贝位的待装载集装箱量 ，即 ：该贝位 出
口集 装 箱 总 量 ；０ 为 场 内箱 区 中待 装 载 的集 装 箱 量 ； ｉ 堆 ｉ Ｉ 为
引 言
文 献标 识 码 ：Ａ
文 章 编 号 ： １０ － ９ ３ （０ ２ １０ ７ － ３ ０ ６ ７ ７ ２ １ ）０ — ０ ０ ０
距离 ，从而确定进 口集装箱堆存 的最佳箱 区以及相应箱 区的
作 业箱 量 。
一
在 “ 业 面 ” 工 作 模 式 下 ，集 卡 车 能 同 时对 应 多条 作 业 作 线 ，保 证 集 卡 车 处于 空 载 状 态 后 可 立 即投 入 到 其 他 需 要 的 作 业 线 中 ，从 而 大 大 缩 短 集 卡 车 的 空 载 运 行 时 间和 距离 ， 大 幅 度提高集卡车的利用率【 。 ｌ ｌ 针 对 集 卡 车 传 统 的 “ 业 线 ” 工 作 模 式 ，集 卡 车 空 驶 较 作 大 ，利 用 率 较 低 这 一 问 题 。文 献 Ｉ 究 了码 头 的 物 流 路径 的 ２ 】 研 优 化 问题 ， 以集 卡 行 走 里 程 最 短 为 目标 ，建 立 了集 卡 路径 优
中 ，集 卡 车 在 “ 业 面 ” 工作 模 式 下 一 次 作 业 回路 的 行 驶 距 作 离 （ 均 不 为 零 ）；ｄ 集 卡 车 运 输 过 程 中 ， 卡 车 在 “ ‘ ｏ 为 集 作 业 线 ”工 作 模 式 下 ，从 岸边 空驶 到箱 区 取 一 个 出 口箱 返 回 到 岸 边 的行 驶 距 离 （ 不为 零 ） ；ｄ。 ＿ ， ｉ为集 卡 车 运输 过 程 中 ， 集 卡 车 在 “ 业 线 ” 工 作 模 式 下 ，从 岸 边 取 一 个 进 口箱 堆放 作
